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结构力学对称性分析技巧

2022-10-23 00:10 作者:结构大师工作室  | 我要投稿

利用基于结构对称性的分析技巧,可以简化结构模型,减轻计算的负担。

由于该分析技巧是主观上的一种选择,结构大师会自动判别出该结构在几何和材质属性上是否满足结构对称性要求,但不会主动实现结构模型的简化。


软件自动检测出结构对称性

用户可以自己对该结构模型进行简化处理后再在软件重新绘制建模。

简化的技巧见下——

技巧1 不满足对称性的荷载可分解为对称荷载+反对称荷载

只要一个结构在几何和材质上是存在对称性的,那么不管它的荷载是否对称,我们都可以利用基于结构对称性的分析技巧来简化该结构。

如下方图1所示的结构,其本身在几何和材料性质上是关于(2)杆中点处轴对称的,然而结构只在点E处施加了一个集中力,它的荷载并不满足对称性。但是根据线弹性结构的可叠加原理,我们可以把该结构等效为图1.1叠加图1.2的受力状态,而对于图1.1来说,我们可以把它视为对称结构进行处理,而对于图1.2来说,我们可以把它视为反对称结构来处理。


荷载不对称但几何材质对称时的结构

因此,结构大师计算前自检测窗口中判断结构的对称性是根据所有杆件在几何和材质上的情况做出的自动判断,软件不会去辨别荷载是否存在对称性。

这个技巧更骚的应用在于你甚至可以把外部支座也看作一种荷载,然后进行简化,如下方图2所示,我们把点C处的支座反力假设为存在一个外部反力作为荷载施加给结构,然后再利用技巧1进行分析,得到对称和反对称的结构以后,最后我们可以分别取半边结构进行简化(简化方法详见下面的技巧),而Rxc/2这个未知力也可以根据力法、位移法等方法在半边结构中得到求解。

技巧2 对称荷载下的简化技巧

对于对称荷载作用下的对称结构,我们可以取半边结构进行计算,由于其本身对称性的关系,在计算出一个半边结构以后,我们就可以利用对称性绘制出另半边结构所有的内力图和反力。(对称性:对称点上的内反力在数值和方向上都相等)

并且,我们应牢记:

  • 对称轴上的截面无水平位移和转角,仅存在竖向位移;

  • 对称轴上的截面剪力恒为0;

  • 对称轴上如遇杆件、Y方向集中力或支座,其值(EA,EI,F,Ry)应该减半。

我们可以用反证法证明上述几点,即如果上述几点不成立,那么结构就不满足对称关系了。

牢记上述几点以后,我们就可以根据这些规律对结构进行简化,如下图3的奇数跨结构,对于(2)杆中点我们就可以简化为图3.1中点E所示的滑动支座。

对称结构奇数跨简化规则

如果对称轴处正好有杆件、支座或者荷载的存在,我们应该将其刚度值/支座反力值或荷载力值减为原来的一半。如下方图4所示的偶数跨结构,我们可以先取图4.1所示的半边结构,如果中间杆件可以不考虑轴向变形,我们甚至可以近一步把点C简化为固定端支座。另外,我们要注意,在输出最终总结构的计算结果时,对称轴处的内力反力需要加上在半边结构中被减去的“那一半”哦~

对称结构偶数跨简化规则

技巧3 反对称荷载下的简化技巧

对于反对称荷载作用下的对称结构,我们可以取半边结构进行计算,由于其本身反对称性的关系,在计算出一个半边结构以后,我们就可以利用反对称性绘制出另半边结构所有的内力图和反力。(反对称性:对称点上的内力数值大小相等但方向相反)

并且,我们应牢记:

  • 对称轴上的截面无竖向位移,但可以存在水平位移和转角;

  • 对称轴上的截面弯矩和轴力恒为0;

  • 对称轴上如遇杆件、X方向集中力或支座,其值(EI,F,Rx)应该减半。

同样,我们可以用反证法证明上述几点,即如果上述几点不成立,那么结构就不满足反对称关系了。

牢记上述几点以后,我们就可以根据这些规律对结构进行简化,如下图5的奇数跨结构,对于(2)杆中点我们就可以简化为图5.1中点E所示的活动铰支座。

反对称结构奇数跨简化规则

如下方图6所示的偶数跨结构,当该结构不考虑轴向变形时,我们可以取图6.1所示的半边结构。另外,我们要注意,在输出最终总结构的计算结果时,对称轴处的杆件轴力恒为0,而剪力弯矩需要加上在半边结构中被减去的“那一半”哦~

反对称结构偶数跨简化规则


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